高速公路数字化视频技术发展说明

高速公路数字化视频技术发展说明
高速公路监控系统的建设是伴随着高速公路的兴建而起步、发展的，湖南省从首条高速公路建成投入运营已历经了十余年的历程。

这十余年来随着经济的发展、科技的进步，湖南省高速公路事业发展也突飞猛进。

视频传输系统作为高速公路监控及收费系统的重要子系统之一，保障运营管理人员对路面及收费站实时状况直观的了解，并对各类事件及时监控、管理与调度，为高速公路的正常运营提供有效的管理手段。

在十余年的时间里，视频传输方式也经历了几次较大的系统发展，在不同的阶段，为高速公路运营提供了有效的保障。

以下从几个方面阐述下湖南省高速公路视频传输的应用和发展说明。

一、高速公路视频传输系统现状及标准
视频传输技术在高速公路机电系统建设中，从最早的CCTV（模拟闭路电视)系统,到近年来正逐步被广泛应用的基于H.264协议的全光视频综合接入系统及数字非压缩光传输平台系统,从模拟图像到数字图像,从复杂的机电系统构架,到简洁的网络拓扑。

数字化、网络化的图像传输应用为高速公路机电系统建设提供了更便捷的组网模式，成为行业视频传输发展新的方向。

不同的视频传输应用，在不同的历史阶段发挥了其各自的作用和特点。

目前在高速公路采用数字化视频解决方案的主要有以下几种模式：
1、数字非压缩光端机方式
数字非压缩光端机是高速公路机电系统中，视频传输应用较多的一种模式。

数字视频光端机对视频信号进行模数转换，然后将数字信号不压缩也不编码直接调制到光器件上输出，在对端采用数字视频光端机再将数字信号还原成模拟图像输出到监视器上。

在高速公路近年机电系统中，应用较多的是点对点数字非压缩光端机和节点式数字非压缩光端机，由于在光纤中传输的图像采用数字化方式传输，避免了模拟方式受到非线性失真等因素的影响，图像质量较高。

另外由于数字视频光端机采用TDM及CWDM技术的应用，可以在一芯光纤中实现多节点图像的传输，较普通的数字传输模式增加了光纤的利用效率，对高速公路全程监控、隧道监控等环境适应性更强。

数字非压缩光端机优点：
●数字非压缩视频光端机大幅度扩大了视频信号传输范围（相对最早的视
频线缆或双绞线收发器传输而言），将最初的1公里范围扩大到数十公
里甚至上百公里。

●数字非压缩视频光端机其信号保真效果大大高于模拟调频、调幅、调相
光端机，其稳定性也较之有大幅度提升。

●应用较为简便。

对于构建一个松散式视频系统来说，其通用性和替代性
较好，因此在最初以模拟视频矩阵为中心构建电视监控系统中大受欢
迎。

虽然数字非压缩方式在高速公路大规模应用，但是伴随近年来联网监控需求的进一步加速，数字非压缩方式技术的不足也同样无法避免的显现出来。

数字非压缩光端机缺点：
●数字非压缩方式为非标协议，各个厂家视频光端机的视频发射端和其它
厂家的视频接收端存在不可通用；各个厂家互通存在问题，无法大规模
联网；
●虽然光端机是数字式，能够信号保真。

但以模拟视频矩阵为核心构建的
电视监控系统时，只要视频显示的地方便会恢复成为模拟视频去迁就视
频非配、字符叠加处理、矩阵切换等环节。

信号噪声引入环节太多，一
个二级模拟矩阵联网的项目在中心视频质量下降便超出主观评价所能
接受的范围；
●传输无法利用现有SDH通信网，必须单独建设传输网，增加机电系统成
本；
●仍然需要矩阵、视频分配器、DVR等各类设备，系统构架复杂不利于维
护；
●组网模式不够灵活，只适合点对点及链装组网，无法实现有效保护；
由于以上数字非压缩方式存在的一些不足，在高速公路实际路段建设中，将数字非压缩光端机主要应用于收费站至外场这段。

而在监控联网上，采取数字编解码的手段，通过通信网来解决收费站至分中心及省中心的传输。

2、数字非压缩光平台方式
由于光端机和矩阵组建的松散式视频系统视频质量整体性能存在较大问题，
且联网特性较差，因此光端机厂家提出了光端机接入、非压缩数字视频流交换的视频监控系统技术框架。

通过信号PCM数字化处理技术，在已经形成的模拟视频传输信号（CVBS）上进行数字化包装，将模拟视频信号数字化为130M-200Mbps的数字信号（非IP），通过光纤接入至平台，通过平台的高速数字总线时分复用技术进行时隙交换，使得信号尽量少失真。

总体来说，数字非压缩光平台是电路交换技术和光纤通信技术的结合，其技术优缺点自然也和光纤通信、电路交换保持一致。

数字非压缩光平台优点：
●光纤通信及高速数字总线交换的结合剔除了视频分配器、字符叠加器、
模拟视频矩阵的噪声引入环节，视频信号在光纤专网范围内获得了极大
的保真效果；
●通过电路的独占，获得较好的画质水平和较低延时。

●平台网络联网借助于统一的数据库，消除了模拟视频矩阵联网的不便利。

●节点方式传输时，链路保护可采用光开关光路保护。

数字非压缩光平台缺点：
●非压缩平台仅仅适用于模拟摄像机标清系统，最高分辨率为720*576，
不能无缝兼容高清业务。

因为高清视频技术只能走压缩数字化的道路，
非压缩平台对此无能为力。

●非压缩技术是一个非标准技术，非压缩方式的数字编码没有统一格式，
非压缩数字平台之间的接口也没有统一格式。

因此不同厂家的非压缩前
端和别家的平台无法对接，而平台之间的互联互控也存在很大困难。

●在路段之上的联网，非压缩平台没有光纤可用，只能走视频压缩的路线，
但是光平台厂商基本上是光端机厂商，对视频压缩编解码技术掌握较
少，基本上只能和二流视频压缩编解码厂家合作在平台上添加视频压缩
编解码组件，因此路段之上的联网其效果会大幅下降。

●视频存储仍然采用硬盘录像方式或通过平台整合的压缩编码器提供码流
给存储服务器存储。

在存储方案仍然存在着松散结构，历史视频资料调
用需要分立子系统来处理查询、点播等需求。

●光纤使用较多，点对点方式1路视频1芯光纤，节点方式接入时8路视
频占用1芯光纤。

而1芯主干光纤最多传输16路非压缩数字视频，为
了提供最够多的视频通道，也需要占用大量主干光纤，且越靠近中心，
所需的光纤数越多。

因此非压缩光平台有其很大的局限性，特别是在全省联网监控的今天，非压缩光平台只能解决一部分问题，但隐藏的后续难题更为突出。

3、H.264全光视频综合接入方式
在十余年高速公路行业视频传输的发展中，模拟光端机、数字非压缩光端机、编解码器等方式，虽然基本满足了行业内对于视频传输的应用需求，但是路网的不断扩大，行业规范逐步强化，联网监控如火如荼的建设，同时伴随全国联网业务的开展，视频传输业务发展又迎来了一个新的发展高潮。

针对联网要求的快速响应、快速部署、灵活调用、组网简单、应用便利、管理通达等要求，迫使我们尽快能够找到这种解决视频传输应用的方案，而近年来行业内的基于H.264压缩标准的全光视频综合接入解决方案技术业已成熟，成为高速公路行业视频传输的一个新方向，视频数字协议标准化，接入图像传输网络化，应用更为灵活，组网也相对简单方便很多。

随着高清视频技术的出现，今年底至明年开始必将会在高速公路机电系统中得到大量使用。

而高清视频正是基于数字化IP技术的，这样传统的光端机厂家是无法做到平滑过度和系统对接的。

目前基于H.264标准的编码算法解决方案主要有以下几种：
德州仪器TI芯片DSP算法的解决方案
方案特点是可以通过非常灵活和可靠地算法来实现不同客户的功能需求，满足用户的应用。

特别是对监控大联网和新老产品升级换代都可以完善的过渡和实施。

采用这种设计方案公司对研发人员要求高，需要懂算法。

相对其他方案成本也较高（硬件芯片成本高，研发人员成本高）。

主要厂家：华鼎恒业（亚邦）
海康威视解决方案
方案特点是芯片也是TI，编解码算法采用海康威视的技术，海康的H.264算法来源于对其MPEG-4编码算法的改进，因产品推出早，与国际标准H.264算法并不完全兼容。

但基于与海康公司先期产品的兼容性的考虑，他们对外宣称自己
是标准的H.264算法。

海康的产品大多采用的是板卡方式，产品以室内为主，没有室外型产品。

视频流采用PS流，主要用于视频的存储和短距离的传输。

主要厂家：中威，威创
华为海思解决方案
方案特点是采用华为海思3512芯片技术。

特点是：价格便宜、研发和成本低。

因为是基于专业编解码芯片的技术，因此兼容性较差，算法固定，修改不方便。

对于联网或与其他厂家产品互通困难，不灵活。

主要厂家：亚奥
各厂商H.264设备是否可以，互编、互解、互控？
由国际电联ITU-T主导的H.26x系列标准（如H.261和H.263）大量应用于视频通信领域，为广大运营商和设备提供商所采用。

H.264的数据压缩算法虽然具有压缩比高的优点，但实现复杂度高。

H.264标准直至2003年11月才形成标准文件，尽管在这时间之前已经发布了多次草案，但是由于其天生复杂度，目前世界上提供真正商用的编码或者解码的方案厂商不多。

同时因为标准的复杂性以及标准本身存在着比较多的可选项，各个厂家根据自己对标准的理解进行了系统设计和实现，导致H.264标准要求的有些feature实现不足或没有实现，从目前情况看，不同厂家芯片不兼容的地方较多。

目前各产品厂商对H.264算法的实现主要有两种途径：1、购买芯片厂家提供的专用编解码芯片；2、使用多媒体DSP芯片集成H.264算法。

但两种方式的算法核心部分的实现都有芯片原厂提供，产品厂家的无法修改。

因此只依靠产品厂家的力量也难以做到完全兼容。

当前的H.264编解码芯片能力都局限在MainProfile@Level 3的SD标清解码层次上，目前在高速公路还是以标准清晰度的H.264方案为主，但随着客户需求的提高，随着技术的不断发展将会过渡到H.264高清标准。

综上所述，目前采用H.264编码算法的产品的确存在算法兼容性问题，如果各个厂家需要做到互通、互解，需要业主方出面进行协议的统一制定和规范。

目前山西、陕西、黑龙江和安徽等省业主已经进行了视频联网标准的统一规划，制定了高速公路视频监控联网技术要求及测试规范。

华鼎恒业公司的产品已经顺利
通过上述省份的入围测试，并且参与了相关标准的制定工作。

二、高速公路视频传输组网方式
目前在高速公路视频传输组网方式主要有两种：1、利用通信系统的网络进行视频传输；2、利用千兆以太网交换机的网络进行视频传输。

1、视频借用通信系统传输设备优势和缺点：
优势：
●通信系统可以提供一个安全、稳定、可靠的传输平台，具有网络级、业
务级和设备级等多级保护能力，且传输延时小；
●通信系统可提供ASON技术的多路由，SDH自愈环和内嵌式RPR等多种保
护；
●通信系统可以对图像业务及其他业务采用差异化的分等级SLA服务，提
供更高的业务保护，保证数据的安全性；
●通信系统可提供具备带宽动态分配的业务级保护，确保了图像大量调用
时，不会出现的带宽出现峰值而影响图像传输；
缺点：
●通信系统带宽相对固定， STM-4等级的传输系统可用带宽仅为504M，实
际可用带宽会更小，以1路图像4M带宽计算，最多可以传输100路左
右；
●组网时，监控系统前端编码设备与交换机组网后，再由交换机接入到传
输系统，组网繁琐故障排查困难；
●交换机独立组网可节约投资。

2、视频系统通过交换机独立组网优势和缺点：
随着高清设备的发展，对传输系统带宽的需求也会越来越大，以一路高清图像8M来计算加D1码流的存储2M，一个STM-4的传输带宽最多仅能传输40路图像，而一条100km的高速公路平均图像在200路左右，传输带宽则需要2.5G 或者10G的带宽，投资巨大。

因此可以考虑采用千兆以太网或者万兆以太网方式来独立组网。

优势：
●高带宽，千兆以太网进行组网时交换机吞吐容量大，有效带宽较大，可
满足高清图像传输应用；
●在传输保护方面千兆以太网具备快速生成树、RRPP、RPR等保护方式；
●在业务保护方面千兆以太网具有业务分级、硬件队列、vlan划分等手段
来进行区分，确保业务传输的稳定性；
●兼容性强，可接入多种业务；
●避免重复投资，原通信系统各站点均需要交换机对本地业务进行接入后
再接入到通信系统的传输设备上传，千兆以太网独立组网后可节约传输
设备的投资；
缺点：
●千兆以太网独立组网进行保护倒换时，延时较长；
●千兆以太网独立组网虽然有业务分级、硬件队列、vlan划分等手段来进
行区分，但都是基于软件的划分，做不到物理隔绝，所有业务在一个通
道中，一旦黑客入侵将冲击所有业务，病毒侵袭将导致整个通道阻塞。

但目前高速公路属于专网，对公网时有防火墙等保护。

●千兆以太网没有专门的管理通道，网管信息与业务数据混合传输，当网
络发生堵塞时，网管信息也无法传送。

三、数字化视频与事件检测的应用
1、AID概述
AID是自动事件检测(Automatic Incident Detection)的缩写。

该系统可自动地从视频中发现车辆、行人等目标和对应的运动轨迹，并能根据预先设定的规则对目标行为进行实时分析，及时发现异常交通事件，提醒管理人员及时干预处理，以提高道路运行的效率和安全性。

AID的核心技术是数字图像处理技术。

2、什么是数字图像处理技术
数字图像处理（Digital Image Processing）是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。

由于模拟信号难以实现长时间的延迟，模拟信号处理一般限于一维信号处理。

对于图像处理而言，单纯的模拟信号处理仅能实现图像亮度、对比度、色彩等简单调整。

图像数字化后可以方便地实现存储，方便地实现二维平面图像处理、以及三维图像时空处理，可实现大量图像处理功能。

诸如目标提取、轨迹跟踪等处理只能通过数字图像处理技术实现。

3、AID基本算法流程
如前分析，AID算法是且只能是全数字处理算法。

其基本流程是：
图像获取：根据输入信号恢复出一帧一帧的数字图像。

如输入为模拟信号，则通过A/D（模拟-数字）变换方式实现；若为数字方式，则通过解码或重组方式实现。

场景建模：分析图像内容，建立当前场景的模型，以区分背景、目标等
目标提取：将感兴趣的目标从场景中提取出来
目标跟踪：对提取的目标进行跟踪
行为分析：根据预定规则进行行为分析
4、常用数字接口与模拟接口
模拟接口：
标清视频：CVBS信号，BNC接头
高清视频：YPbPr分量信号，BNC或莲花接头。

由于高清信号频率特高，模拟传输距离十分受限，因此工程中极少采用。

数字接口：
标清视频：演播室一般采用SDI接口，工程上极少遇到
高清视频：工业相机多采用CamerLink、LVDS、1394、USB3.0等；监控相机多采用HD-SDI；IP相机采用GE/FE以太网接口
5、AID的影响因素
AID系统需要从场景中提取并跟踪目标，其主要的影响因素有两点：
●目标和背景的差异：目标与背景差异越大越容易提取，且准确度也越高。

此差异主要由场景决定，摄像机的成像参数也有一点影响。

●图像噪声影响：噪声是广泛存在于电子系统的，视频系统尤甚。

图像噪声
对目标提取影响巨大。

因此一般在目标提取处理前需进行降噪处理。

由于场景决定于安装位置，一般无法改变，因此图像噪声的大小、类型往往是影响AID精度的最主要因素。

噪声的滤除需根据噪声类型构造相应的滤波器。

当噪声类型和滤波器匹配时可达到最好的效果。

否则效果会下降，甚至会因错误地滤除有效信号而产生副作用。

模拟视频传输系统与数字视频传输系统的噪声模型不一样，因而其最佳降噪滤波器构造也不一样。

未经优化的模拟接口AID系统直接用于处理数字视频传输系统的视频时，经常会出现较差的检测效果。

从噪声类型上分析，模拟系统的噪声来源多样，表现形式有雪花噪声、纹波噪声、波形失真、同步丢失等多种，难以构建统一适用的最佳降噪滤波器。

经常表现为系统受工程现场影响大，同样的参数在不同的环境下检测效果差异较大。

在浅压缩的数字系统中，其噪声多为电子热噪声，是明显的白噪声特征，比较容易构建最佳滤波器。

在较高压缩率下，主要来源于编码的分块效应。

其特征明显，容易针对性地构建最佳滤波器。

因此理论上有望获得比模拟系统更好的检测准确度和工程普适性。